通風模式對室內顆粒污染物擴散分布的影響

關鍵詞：置換通風；人體微環境；顆粒物濃度；地板送風

隨著生活水平的提高，人們對環境舒適性及室內空氣質量的關注逐漸增強，尤其在現代化生活中，人們有80%以上的時間都在室內度過［1］，而在全球范圍內每年都有因室內空氣污染直接或間接導致的死亡［2］。室內空氣質量的好壞對人體健康以及學習、工作效率都會產生很大的影響。根據對現代建筑室內污染物的調查研究可知，顆粒物是室內主要污染物，其在室內的擴散規律與室內人員的健康有著密切的關系［3］。因此，深入研究通風模式對室內顆粒污染物的擴散分布的影響是十分必要。

目前常見的室內通風模式有置換通風（DV）、混合通風和地板送風（UFAD）等。其中，DV是一種傳統的機械送風模式，因其具有較高的換氣效率和通風效率，且能有效節省系統能耗，在世界范圍內有廣泛的實際應用［4–7］。UFAD是將新鮮空氣通過位于地板上的進風口送入室內環境，這種送風系統可以使新鮮的空氣直接進入工作區，能較好地提高通風效率和改善室內熱舒適性［8–10］。

在對置換通風和地板送風這兩種典型的機械通風模式的通風特性研究方面，Maier等[11］在飛機測試艙內開展置換通風的實驗研究，結果表明置換通風可為飛機客艙提供舒適的室內環境。Wang等[7］對DV模式下工廠焊接車間焊接過程中煙霧顆粒污染物擴散進行了數值模擬，并利用現場測量結果驗證了數值模擬的準確性。研究結果顯示，在大型工業建筑空間中，DV模式下可有效去除焊接過程中產生的煙塵并產生室內熱分層現象。Taheri等[13］利用歐拉?拉格朗日方法分別分析了UFAD模式下四個送風角（30°、45°、60°和90°）對室內流場和顆粒物分布的影響。結果發現，隨著送風角的增大，溫度的垂直梯度增大，45°和60°送風角下PM2.5的去除效果比較好。而對于粒徑為1、5和10μm的顆粒物，各送風角下去除效果基本相同。Fathollahzadeh等[13］則重點研究了UFAD系統對室內居住者總體熱舒適及局部熱不適感的影響，分別探討了四個送風速度（0.3、0.4、0.5、0.6m·s?1）下80人的密集室內空間的通風情況。研究表明UFAD系統能夠為人員密集空間創造舒適的室內環境。Ho等[14］通過模擬比較了辦公環境中兩種送風模式（地板送風和架空送風）對周圍環境的影響。通過對不同工況下室內速度、溫度、相對濕度、污染物濃度分析發現，在相同的熱舒適條件下，地板送風在去除污染物方面的性能優于架空送風，且節能效果顯著。

目前雖已有不少研究表明室內不同通風模式、送風速度及溫度均會影響室內空氣質量和污染物的擴散分布［11–14］，但大多研究主要考慮不同送風模式下室內的氣流運動及熱環境，未詳細考慮不同通風系統的不同運行條件對室內污染物去除效果的影響。根據以kN6uaYt3XopIZ1kAMXwXTtL//Ff1OBLTfoq0NavVHuA=往的研究可以發現不同的通風模式在顆粒物去除性能上表現不同［15］，此外，研究通風系統對顆粒物去除的影響時應考慮污染物來源和系統運行條件。因此，本研究旨在研究不同通風模式對室內氣流組織、熱環境及污染物擴散分布的影響，并提出既能保障室內人員舒適度又能改善室內空氣質量的通風模式。另外，由于小型辦公室人員密集，此類室內環境更需關注通風模式的選擇，故本研究選取一個小型辦公室為研究對象，對其建立全尺寸三維數值模型，通過數值模擬對比分析兩種通風模式（置換通風和地板送風）下室內氣流運動規律及污染物去除效果。

1模型建立及數值模擬方法

1.1房間模型介紹

根據已有的研究［16］及對真實辦公室環境調研，本文建立了一間小型六人間辦公室的物理模型。基于實測數據將辦公室房間尺寸設置為4.66m×4.5m×3m。天花板上有6盞按2×3方式排列的燈，房間內有6名人員，成3排2列坐姿排布在6個辦公桌位置上。置換通風的入口設置在房間兩側墻壁靠下位置，地板送風的入口設置在房間地板上，且回風口都位于天花板上的同一位置。兩種機械通風送、回風口均為矩形，尺寸均為0.3m×0.3m，兩種通風模式房間模型如圖1所示。基于已有研究中對人體形狀［12］簡化的方法，將人體模型中頭、身體及腿部三部分均簡化為長方體。

選擇地板作為離散相模型（DPM）中的面源，用以模擬室內地板散發的細顆粒物。離散相顆粒物密度為1000kg·m?3，取粒徑1μm的單一粒徑實心球體。顆粒物初始速度為0m·s?1，釋放速率為2.26μg·s?1［17］。

1.2邊界條件設定

數值模擬中將進風口平面設置為速度入口，出風口邊界條件為出口邊界，其余均設置為無滑移壁面條件。考慮到室內人員舒適度，主要選擇兩種送風速度和送風溫度，不同通風模式下的計算工況如表1所示，表中Tin、U、ΔT分別為送風溫度、送風速度和溫差。房間內所有墻壁、桌子及人員的溫度均參考前人總結的室內構筑物溫度條件設置［18］。顆粒物壁面條件中，出口設置為escape條件，進風通道設置為reflect條件，由于顆粒物在接觸壁面后很難反彈再次進入流場［19］，所以其余壁面設置為trap條件。

1.3模型的離散與求解

采用ICEM18.0軟件進行網格劃分。由于計算域的結構比較規則，故采用結構化六面體網格對計算域進行離散，其中送風口、回風口、門窗、人體模型附近等需要重點關注渦流情況區域的網格都進行了加密處理，而對室內其他區域采用較稀疏的網格。由于網格數量及其疏密程度直接影響數值計算的成本與結果的準確性，因此合適數量與疏密程度的網格劃分至關重要。本研究劃分了四種不同數量與疏密程度的網格（287萬、497萬、807萬、1181萬），針對UFAD模式下室內氣流運動情況進行了數值模擬。圖2為建筑模型網格劃分與敏感性分析。選用圖2中所示L1位置z方向分速度的數據作為比較標準。通過對比分析[圖2（a）]可以發現，網格過疏（287萬）或過密（1181萬）均會導致計算結果發生偏差，而497萬和807萬網格的計算結果基本一致。為了節省計算時間和計算成本，選擇497萬網格進行后續的數值計算[圖2（b）]。

采用RNG湍流模型進行數值模擬計算，而顆粒物運動軌跡采用拉格朗日法確定。計算公式為

顆粒物受力考慮了重力、浮力、曳力和附加力，附加力只考慮薩夫曼升力、熱泳力和布朗力，忽略了其他力的影響［14］。采用ANSYSFLUENT軟件進行數值計算，壁面函數為標準壁面函數，求解器采用基于壓力的隱式格式，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，對流項離散采用二階迎風差分格式。此外，本研究中按三維不可壓縮流體進行求解，計算收斂條件為能量方程計算殘差小于10?6，其余方程計算殘差小于10?3。

1.4模型驗證

為了驗證RNGk?ε模型對于非等溫室內流場以及拉格朗日法對顆粒物運動軌跡模擬的準確性，本文參照Zhang等［16］的實驗數據進行模型驗證。對一個UFAD模式下4.91m×2.44m×4.31m全尺寸房間進行實測，送風量為0.0944m3·s?1。房間模型如圖3（a）所示。實驗測量點位置如圖3（b）所示，其中：V1～V7為速度測量點；S_V2為顆粒物釋放位置；P1～P6為顆粒物測量點。實驗中邊界條件如表2所示，燈、人體的熱流密度分別為64、100W。

圖4為數值模擬結果與實驗結果對比，其中曲線為模擬結果，散點為實驗結果。無量綱溫度和無量綱濃度定義分別為

圖4（a）～（b）分別為模型中V1～V7處無量綱溫度和速度對比，圖4（c）為P1～P6處顆粒物無量綱濃度對比。從圖中可知，由于拉格朗日法的濃度計算結果比較分散，P2、P4處的濃度因通風機械氣流與熱羽流的相互作用，會產生不穩定的分離流，從而引起較大的波動［20］。整體而言，本文選用的RNGk?ε模型計算結果（速度、溫度和濃度）均與實驗結果保持較好的一致性，因此可認為本文所用的數值模型對室內氣流運動和污染物擴散的模擬是可靠的［6］。

2結果分析與討論

2.1DV模式下室內流場及溫度場分布

圖5為夏季DV模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內速度及流線分布。由圖可知，由于送風口位于室內墻壁較低位置，人體腿部和房間下部區域的氣流速度較高。同時，房間左、右兩側的辦公桌及人體腿部下方均分別形成逆時針和順時針小渦[圖5（a）、5（b）、5（d）、5（e）]，當送風速度變大后，該處的速度渦旋隨之變小，如圖5（c）和5（f）所示。當送風速度為0.3m·s?1時，部分靠近壁面的氣流上方由于康達效應會貼附壁面豎直向上運動，到達頂部后由于重力作用向下運動，但由于受到人體熱羽流影響，故在人體側上方靠近房間中心位置形成較明顯的速度渦旋。另外，由于對稱的房間布局，房間中心兩側的速度渦旋相互影響，導致回風口下方速度較高，如圖5（a）、5（b）所示。值得注意的是，送風速度增加會影響人體熱羽流，從而改變房間內部氣流組織[圖5（c）、5（f）]。

圖6為DV模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內溫度分布。由圖可知，當溫度較低的潔凈空氣送入室內后因密度較大下沉到房間底部，在室內下部空間會形成一個干凈的“空氣湖”。另外，由于人體熱源的存在，人體附近空氣在浮力的作用下形成上升的熱羽流。對比D1和D2工況發現，當送風溫度增大，室內下部區域均勻的氣流分布遭到破壞，人體腿部左、右兩側出現溫差，如圖6（d）、6（f）所示。另外，從房間側視圖可看出，在DV模式下，位于后兩排的辦公室內人員周圍溫度分布不均勻，存在較大溫差。然而，當送風溫度較低但送風速度增大時[圖6（c）]，室內溫度分布雖更加均勻，但由于夏季送風為冷風，最終會導致室內人員周圍及人體腿部以下區域溫度較低，且人體熱羽流會受到一定的影響。

2.2UFAD模式下室內流場及溫度場分布

圖7為夏季UFAD模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內速度及流線分布。觀察3個工況可以發現，UFAD模式下送風溫度的改變對室內組織分布影響很小（對比U1和U2工況），而送風速度的增加（對比U1和U3工況）會明顯改變房間內部的渦流結構。同時，對比DV模式下的室內流場，UFAD模式下的高速區域在送風口上方靠壁面位置，這有利于降低室內人體的吹風感。當送風速度為0.3m·s?1時，可以發現U1、U2工況下靠近壁面的氣流由于康達效應貼附壁面豎直向上運動，到達頂部后由于重力作用向下運動。但由于受到人體熱羽流影響，故在人體側上方靠近房間中心位置形成明顯的速度渦旋，而由于對稱的房間布局，房間中心兩側的速度渦旋相互影響，導致回風口下方速度較高。值得注意的是，此現象在送風溫度增加后變得更加明顯，如圖7（a）和7（b）所示。同時，研究結果表明，增大送風速度雖可將較冷的氣流送達距離通風口較遠的室內人員處，但會降低室內流場的穩定性，增加室內人體周圍的小渦旋結構。與U1工況下相比，U3工況下的氣流表現為入射氣流向上彎曲程度增加，桌子下側渦旋結構變小，但渦旋高度增加，并向辦公桌下部擠壓從而破壞桌底的小渦旋，最終導致人體左、右兩側低溫區域變大。這是由于冷空氣的送風速度增加，房間出現了“上熱下冷”的現象。接近地面的空氣溫度降低，被“空氣湖”推到桌子下方較熱的空氣區域，空氣密度降低并向下運動，而四壁及房間上部區域溫度較高，對空氣起到加熱作用，近壁面空氣升溫后密度減小向上運動并與頂部向下運動的空氣發生碰撞，從而擾亂流場。

圖8為夏季UFAD模式不同工況下Y=2m和X=1.5m截面室內溫度分布。從3個工況下的氣流分布來看，當采用UFAD模式時，與DV模式相似，室內溫度場也呈現出明顯的熱分層現象。通過對比U1和U2工況發現，送風溫度為293K時，由于與室內環境溫差較大，垂直范圍內的溫度梯度較大，熱分層現象更加明顯，且室內底部及辦公桌下方區域的溫度呈均勻分布[8（a）]。當送風溫度為295K時，溫差較小，導致室內人體周圍溫度分布不均，尤其對于辦公室后排人員，通風效果變差[8（b）]。當送風速度增加后，人體周圍冷空氣范圍變廣且人體熱羽流遭到破壞，室內人員的舒適性降低。

2.3不同通風模式下室內顆粒污染物濃度的對比

圖9（a）、（b）和（c）分別為夏季DV模式不同工況下X=1.5m、Y=2m和Z=1.1m截面顆粒物質量濃度分布。從3個截面的顆粒質量濃度云圖可以看出，坐姿狀態人體頭頂上方的區域顆粒濃度較低。這是受室內人體熱羽流的影響，該區域的部分顆粒污染物被帶離呼吸區域。通過對比3個DV模式工況下不同截面顆粒物分布可以發現，送風溫度或送風速度的改變對辦公室內最后排人員周邊環境中的顆粒物濃度影響都很小，其中，送風速度的改變主要影響辦公室第一排人員呼吸區及頂部上方區域的顆粒物濃度，第二、三排人員周圍空氣中的顆粒物濃度降低的程度遠不如第一排人員周圍的顯著。說明在此類對稱的辦公室布局中，DV模式適當運行條件下能改善室內的空氣質量，尤其是第一排人員周圍的空氣質量可得到明顯的提升。

UFAD模式下的顆粒物分布如圖9（d）、（e）和（f）所示，可以發現UFAD系統送風口附近的顆粒物濃度很低，但由于室內人員和辦公桌的阻礙，室內人員周圍顆粒物濃度較高。另外，UFAD模式下的室內顆粒物濃度明顯高于DV模式下的濃度，尤其在送風溫度較高（溫差小）時，兩種通風模式下的室內顆粒物濃度差異最大。當風速增大后，UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度分布較DV模式下的更均勻，且高濃度區域逐漸集中在房間的中心區域。另外，與DV系統類似，送風速度的增加明顯降低了室內顆粒物濃度，但溫度的影響對于UFAD模式更加明顯[對比圖9（d）和（e）]，且UFAD模式在低風速和較高送風溫度運行條件下顆粒物高濃度區域較DV模式下的分布更廣[對比圖9（b）和9（e）]，影響范圍變大，故此運行條件下的兩種通風系統中室內呼吸高度處顆粒物濃度差值最大。

圖10為不同機械送風工況下室內人體坐姿呼吸高度（Z=1.1m）處的顆粒物平均質量濃度。從圖中可以看出，風速較小，DV和UFAD模式下的18mEO2AK41SzlPpuDYm5EnRwJrBUC0EmheNOqJjxtvU=污染物濃度均較高，且UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度均高于DV模式下。當送風溫度變高（與室內溫差變小），呼吸區的顆粒物均略有上升，UFAD模式下呼吸高度處顆粒物濃度增加12%，而DV模式下呼吸高度處顆粒物濃度僅增加了2%。因此，夏季送風條件下，選擇較低的送風溫度有利于室內顆粒污染物的去除，且溫度的影響在UFAD模式下更加明顯。另外，當送風溫度較低（293K）時，送風速度的增加（由0.3m·s?1提升至0.5m·s?1）對坐姿狀態人體呼吸區的顆粒物濃度的去除效果顯著，但送風速度的增加對DV模式下顆粒物去除效果的影響較UFAD模式下明顯，即DV模式下顆粒物濃度降低27.6%，UFAD模式下顆粒物濃度降低23.2%。

由此可知，對于兩種通風系統，送風速度的影響均比送風溫度的顯著，但采用UFAD模式時，送風溫度的改變對顆粒物濃度的影響較DV模式的明顯。因此，夏季采用DV和UFAD模式時，DV模式下選擇較高風速的送風條件可達到較好的顆粒物去除效果，且可避免選擇較低溫度的送風條件，從而節省能耗，而UFAD模式下要達到相同的顆粒物去除效果還需同時增加送風速度并降低送風溫度。

3結論

采用經實驗驗證的數值模型，對DV和UFAD模式下辦公室內流場、溫度場及顆粒物濃度場進行了數值模擬，得到的主要結論如下：

（1）采用DV和UFAD模式均能實現室內較好的熱分層，室內人員的舒適度能得到一定保障。送風速度的變化顯著影響室內流場和溫度場，從而對室內顆粒物的擴散分布產生直接影響。然而，送風溫度的改變雖然能影響室內溫度的分布，但對室內流場影響不大，因此溫度的改變對顆粒物的去除影響并不明顯。

（2）對于本文研究的對稱分布的小型辦公室環境，夏季UFAD模式下室內人員呼吸高度處顆粒物濃度均較DV模式下的高，而UFAD系統去除顆粒物的能力受送風速度的影響程度不如DV系統的顯著。選擇UFAD系統來改善室內空氣質量可能會增加建筑能耗，因此建議采用DV系統以及較高送風速度的運行條件以達到降低室內人員呼吸區顆粒物濃度、改善室內空氣質量和節省能耗的目的。